新颖的60秒旋转电子钟.doc

浙江师范大学信息科学与工程学院课程设计新颖的60秒旋转电子钟信息科学与工程学院课 程 设 计( 2005.7 )设计题目 新颖的60秒旋转电子钟 专业学院 信息科学与工程学院计算机科学与技术学号班级计本042(专升本)04191109作者姓名 潘金雪指导老师 余水宝， 陈 希完稿时间 2005.7.7成 绩 16目 录第1节 引 言 1.1 电子钟概述1.2 设计任务 1.3 系统主要功能第2节 电子钟硬件设计2.1 系统的硬件构成及功能2.2 AT89C2051单片机及其引脚说明2.3 60秒旋转译码驱动原理第3节 系统软件设计 3.1 系统主程序设计3.2 定时计数中断程序设计3.3 时间调整或定闹设置程序设计第4节 系统调试与测试结果分析 4.1 使用的仪器仪表4.2 系统调试4.3 测试结果4.4 测试结果分析4.5 系统误差处理第5节 结束语参考文献 附录 新颖的60秒旋转电子钟第1节 引 言目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照明的情况下都是不可见的。要知道当前的时间，必须先打开灯，这样就比较不便。现在市场上也出现了一些电子钟，它以六只LED数码管来显示时分秒，与传统的以指针显示秒的方式不同，违背了人们传统的习惯与理念，而且这类电子钟一般是采用大型显示器件，适用于银行、车站等公共场所，且外观设计欠美观，很少进入百姓家庭。此外，无论是机械钟、石英钟还是电子钟，都存在着共同的问题：时间误差。针对以上存在的问题，我们设计了一款采用LED显示器件显示的电子时钟，有效的克服了时钟存在误差问题，并能在夜间不必其它照明就能看到时间，且以60只发光管实现秒显示，接近于传统的秒针来显示秒的形式，用户容易接受，而且美观大方，使整个时钟显的相当美观新颖，并且还可以作为室内装饰。1.1 电子钟概述 本实验设计的电子钟为新颖的60秒旋转电子钟，它采用LED显示器件显示电子时钟，有效地克服了时钟误差。它能在夜间不必其它照明就能看到时间，并能在7点以前和21点以后数码显示管的亮度变暗，实现节能功能。它以60只发光管实现秒显示，并且外观采用透明外壳，可以看见电子钟的内部构造，更具有美观性。它具有一天实现两次闹钟的功能，并可通过手工更改闹钟的时间，更具有实用性。1.2 本次设计任务与要求 任务：设计一款电子钟。要求：1、基本要求 （1） 用4只LED数码管输出显示时和分。 （2） 可通过按键设置闹钟功能，且停闹无须手工操作。 （3） 可通过按键设置分校时。 （4） 月计时误差小于45秒。 （5） 写出详细的设计报告。 （6） 给出全部电路和源程序。2、发挥部分 （1） 用60只LED发光管旋转显示，模拟“秒针”的行走。 （2） 增加停（掉）电保护功能。 （3） 增加室温检测和显示功能（可与时间交替显示）。 （4） 增加红黄绿三色变色装饰。 （5） 提高计时精度，使年计时误差小于30秒。 （6） 增加日自动校准功能，使得该电子钟“永无误差”。 （7） 可通过按键设置一天两闹（比如早晨、中午各一次）。1.3 系统主要功能 电子钟的外观如图1所示。周边60只发光管顺时旋转来显示秒，中间四只LED数码管用于显示时间，中下方的七只LED灯顺时旋转，供装饰用。其主要功能有：整点报时；四只LED数码管显示当前时分；每隔一秒钟周边的60只LED发光管旋转一格，装饰用的LED每隔一秒旋转一次。当发生停电事件时，由后备电池供电，系统进入低功耗状态，所有显示部件停止显示，这样即延长了电池的寿命，同时又保证了CPU继续计数，不至于因停电而时钟停止运行。当恢复供电后，系统自动恢复工作状态，不影响计时。图1 电子钟外观图第2节 电子钟硬件设计2.1 系统的硬件构成及功能电脑钟的原理框图如图2所示。它由以下几个部件组成：单片机89C2051、电源、时分显示部件、60秒旋转译码驱动电路。时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。时分显示模块、60秒旋转译码驱动电路以及显示驱动都通过89C2051的I/O口控制。电源部分：电源部分有二部分组成。一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作；另一部分是由3V的电池供电，以保证停电时正常走时。正常情况下电池是不提供电能的，以保证电池的寿命。具体电路参见“新颖的60秒旋转电子钟参考电路原理图”。 图2 电子钟系统原理框图2.2 AT89C2051单片机及其引脚说明AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3所示。与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。图3 AT89C2051引脚配置AT89C2051芯片的20个引脚功能为：VCC 电源电压。GND 接地。RST 复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 来自反向振荡放大器的输出。P1口 8位双向I/O口。引脚P1.2P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。P3口 引脚P3.0P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。2.3 60秒旋转译码驱动原理按常规传统设计，需60进制译码驱动电路才能实现60秒旋转译码驱动，若用六片十进制计数译码器构成六十进制计数译码电路，则电路连线多（需要120根连线），硬件电路庞大，开销大。为此，我们巧妙地采用了两片CD4017表1 P3口特殊功能 P3口引脚特殊功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）进行六十进制计数译码，实现60秒旋转译码驱动。既减少了电路的复杂程度又可降低了成本。图4为CD4017功能引脚及时序图。图4 CD4017引脚、时序图CD4017集成电路是十进制计数/时序译码器，共有10个译码输出Q0Q9；每个译码输出通常处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平；每个高电平输出维持1个时钟周期；每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时，CD4017计数器中各计数单元输出低电平“0”，仅在译码器中只有对应“0”状态的输出端Q0为高电平。为实现对发光二极管的驱动，将每一个译码输出端口接一只发光二极管，并将二极管串联限流电阻后接地。当译码端口Q0Q9中任一端口为高电平，则对应的发光二极管点亮，如图5（左）所示。仔细考查CD4017的功能，可发现其10个输出的高电平是相互排斥的，即任一时刻只有一只发光二极管点亮，因此可将图5（左）电路进一步简化为如图5（右）所示，从而简化电路设计。图5 CD4017控制发光二极管原理图在本电子钟设计中，每秒点亮一个发光二极管，循环点亮一周共需60个发光二极管，若用上述的6片CD4017实现驱动，显然电路复杂。为此我们选用两片CD4017和一片6反相器，采用“纵横双译码”技术，实现60秒旋转译码驱动，其中一片接成10进制，一片接成6进制，实现610=60的功能，具体连接方法如图6所示。将周期为1秒的输入脉冲作为其中一片CD4017的时钟脉冲，而此片的级联进位输出端（QC）作为另一片的时钟输入，并将Q6与复位端相连。在两片译码输出端交叉点上接入发光二极管，构成610矩阵。根据CD4017时序特点，在初始状态，作为高位（纵）的CD4017译码器输出端口Q0处于高平，经反相器反相后为低电平。当作为低位（横）的CD4017译码器输出端口Q0Q9依次输出高电平后，则对应的二极管LD1LD10依次点亮；此后由于QC端的进位，高位CD4017译码输出端口Q1输出高电平，反相后输出低电平，当低位的CD4017译码输出端口Q0Q9依次输出高电平后，二极管LD11LD20依次点亮。如此往复，直至高位Q6向复位端输入高电平，CD4017复位，60秒循环点亮重新开始。图6 发光二极管“纵横双译码”循环点亮原理图2.4 时分显示部件由于系统要显示的内容比较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。LED有共阴极和共阳极两种。如图7所示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）ag，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。g f com a b 共阴极e d com c dp符号和引脚 f edcbag 低电平驱动 共阳极 图7 LED数码管结构原理图 LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的轮换。从LED数码管结构原理图可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。各段码位与显示段的对应关系如表：各段码位的对应关系段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba 当用数据口连接LED数码管adp引脚时，不同的连接方法，各段码位与显示段有不同的对应关系。通常数据口的D0位与a段连接，D1位与b段连接，D7位与dp段连接，如上表所示，LED数码管显示的十六制数和空白字符与P的显示段码。LED显示段码字型共阳极段共阴极段字型共阳极段共阴极段0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H在该系统中，根据由于硬件连线的不同，各段码的关系如下：段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpbafgcde因此在该系统中所出现的LED数码管显示的十六进制数和空白字符与P的显示段码也要根据此修改。 根据AT89C2051单片机灌电流能力强，拉电流能力弱的特点，选用共阳数码管。将AT89C2051的P1.0P1.7分别与共阳数码管的ag及dp相连，高电平的位对应的LED数码管的段暗，低电平的位对应的LED数码管的段亮，这样，当P0口输出不同的段码，就可以控制数码管显示不同的字符。例如：当P0口输出的段码为11000000，数码管显示的字符为0。 数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。动态扫描显示方式需要解决多位LED数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的通过P1口实现：而每一位的公共端，即LED数码管的“位控”，则由P3口控制。这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。在本系统中，字位线的选通与否是通过PNP三极管的导通与截止来控制，即三极管处于“开头”状态。 系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成，前两只用于时的显示，后两只用于分的显示。在设计中需要实现时与分之间的两个闪烁点，为此，将第三只LED数码管倒置摆放，这样就形成了两个自然的闪烁点。与此同时，为了能使两点显示能够形象的表示时钟“秒”的变化，设计时，将两个点由P1.7单独控制，每隔一秒使P1.7发送一个正脉冲，从而实现了两个点的闪烁显示，闪烁周期为一秒。第3节 系统的软件设计本系统的软件系统主要可分为主程序、定时计数中断程序、时间调整或定闹设置程序三大模块。在程序设计过程中，加强了部分软件抗干扰措施，下面对部分模块作介绍。3.1 系统主程序设计时间显示、等待定时中断定闹时间到了吗？是是是否否否是否时间调整子程序初始化数据整点时间吗？设置定闹吗？调整时间吗？定闹设置子程序发“嘟”一声闹铃1分钟定时器中断初始化图8 系统主程序流程图3.2 定时计数中断程序设计中断程序（如图9所示）完成时间计数，时间调整，误差消除等功能。中断采用AT892051内部T0中断实现，定时时间为125ms，当时间到达125ms8，即1分钟时，分计数缓冲器MINBUFFER增加1小时，则时计数缓冲器和时计数缓冲器分别到达60min、24h时，则对它们清零，以便重新计数。定时器中断否是否到1秒？秒指针步进一次是否整分？否是是整分旋转复位 调整当前时分 积累误差消除否整点报时否？整点报时中断返回是图9 定时中断程序3.3 时间调整或定闹设置程序设计在中断设计中，还通过软件实现了累计误差消除功能，使整个系统时间的精确度得到保证。第4节 系统调试与测试结果分析4.1 使用的仪器仪表 数字万用表DT9203单片机仿真器WAVE6000烧写器 GF2100双踪稳压稳流电源DH1718E-5数字示波器 TDS10024.2 系统调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：键盘显示模块，锁相环CD4046输出调试，地址累加发生器的调试，等，最后将各模块组合后进行整体测试。4.3 测试结果 4.4 测试结果分析4.5 系统误差处理结束语通过这次单片机电子时钟的设计，使我对学过的单片机知识有了更深入的了解。这次的设计主要分为三个阶段焊接、编程和调试。以前从来没有接触过单片机的我，这都是非常陌生的。焊接阶段，第一次接触焊铁，第一次焊接一块电板。在焊接中碰到的主要问题就是虚焊，如果焊接不好，就会出现这样的问题，从而导致整个硬件都出现接触不好的现象，这样就容易在软件调试的阶段产生问题，因此，焊接是整个设计的基础部分。在整个设计过程中，学会了许多在书本上学习不到的知识。将一只LED数码管的倒置，使其与前一只形成